针对头盔显示器(HMD)液晶像源的特殊要求，选择了一款小尺寸、高光效的发光二极管(LED)作为背光光源。基于此LED的光强分布曲线，利用非成像光学理论设计了双自由曲面透镜阵列，以期进一步提高背光光效。首先对单个LED设计了3款不同半径的双自由曲面透镜，形成了亮度均匀的圆形光斑。然后对单个透镜进行切割，形成矩形光斑，并用4个矩形透镜拼接成透镜阵列。选择了效果最优的透镜进行了加工和测试。结果表明：与传统的采用两层扩散膜的背光结构相比，采用透镜阵列和两层扩散膜后的背光的光能利用率提高了13.94%，背光亮度提高了96.4%，非均匀性由23.8%略提高到23.1%，半亮度视角由37°降低到19°。用设计的透镜及其阵列对LED光源发出的光线进行准直，易形成高亮度的均匀矩形光斑，满足头盔显示器液晶像源背光的要求。
